CN110332905B - 任意姿态光学元件在位面形检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种任意姿态光学元件在位面形检测装置及方法，采用以上技术方案，结构灵活，用工业机器人取代了干涉仪的各种支撑调节平台和装置，使干涉仪的位置姿态调整更方便，同时简化了光学元件支撑机构，使其可以不用具有自由度调节功能；方法新颖，将动态干涉仪与工业机器人相结合，解决了重力倾斜姿态下的在位面形测量问题；应用范围广，可以同时满足各种姿态下的面形测量问题；环境适应性好，使用动态干涉仪，能够将干涉测量扩展到各种测量环境中，同时保证其测量精度和重复性；测量简单高效，引入了干涉条纹监控系统，实现了干涉条纹的自动调整，提高了测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件干涉测量技术领域，具体涉及一种任意姿态光学元件在位面形检测装置及方法。
背景技术
光学元件在天文学、空间光学、军事和能源等领域中的具有广泛的应用，光学元件的面形检测在车间检测和光学工程中是必不可少的环节，其中干涉仪测量作为一种可靠的光学面形计量检测手段，具有广泛的应用。然而传统的干涉仪测量很容易受到震动和空气扰动等环境因素的影响，对检测环境和检测平台的要求很严格。因此，传统的干涉仪只有立式和卧式这两种测量姿态，要完成重力倾斜姿态下的面形测量是非常困难的。解决以上问题成为当务之急。
发明内容
为解决传统干涉测量灵活性不足，无法同时满足多种倾斜姿态下的在位面形检测需求的技术问题，本发明提供了一种任意姿态光学元件在位面形检测装置及方法。
其技术方案如下：
一种任意姿态光学元件在位面形检测装置，其要点在于：包括工业机器人、动态干涉仪和干涉条纹监控系统，所述动态干涉仪通过连接工装可拆卸地安装在工业机器人上，在该动态干涉仪的前端设置有透射标准镜，所述干涉条纹监控系统包括能够与动态干涉仪进行数据传输的干涉条纹显示器以及能够与工业机器人进行数据传输的图像监视器，所述干涉条纹显示器用于显示动态干涉仪采集到的干涉条纹图，所述图像监视器用于监控干涉条纹显示器显示的干涉条纹图。
采用以上结构，动态干涉仪降低了干涉测量对环境因素的严格要求，使得干涉仪的测量不再依赖于测量平台的防震性能，扩展了干涉测量的应用环境，缩短了测量时间，使其更加满足日益多样和严格的车间检测和光学工程的需求；此外，动态干涉仪还可以动态记录波前的变化过程，能够提高光学系统准直和像差的调整效率。工业机器人技术的日益成熟使得工业机器人的定位精度和稳定性都能够得到保证，相比与传统的机械位移台、旋转台以及角位移台等位置和姿态(简称位姿)调整机构，工业机器人的多轴操作使其位姿调整更加简单灵活，能很容易地满足各种不同位姿的调整需求。其中，干涉条纹监控系统结合工业机器人实现了干涉条纹的实时监控和自动调整，提高了测量效率。因此，本发明解决了传统干涉测量灵活性不足，无法同时满足多种倾斜姿态下的在位面形检测需求的技术问题。
作为优选：所述透射标准镜通过二维调整镜架安装在动态干涉仪的前端。采用以上结构，能够简单、便捷、可靠地调整透射标准镜的位置。
作为优选：所述图像监视器为动态高清摄像头。采用以上结构，稳定可靠，能够精确地识别图像监视器上显示的干涉条纹图。
作为优选：所述动态干涉仪的上端面、下端面和后端面均能够与连接工装连接。采用以上结构，能够灵活地与工业机器人的末端法兰盘连接，以提高干涉测量的灵活性，满足多种倾斜姿态下的在位面形检测需求。
作为优选：在所述工业机器人旁设置有光学元件支撑机构。采用以上结构，以便于对光学元件进行定位。
一种任意姿态光学元件在位面形检测方法，其要点在于，按照以下步骤进行：
S1：调节二维调整镜架，使透射标准镜与动态干涉仪的光轴垂直；
S2：将待测反射镜安装在光学元件支撑机构上，工业机器人根据干涉条纹监控系统的反馈自动调整动态干涉仪的位姿，使动态干涉仪发出的出射光束，被待测反射镜反射后，返回到动态干涉仪中，且动态干涉仪测得的干涉条纹数最少，完成后利用动态干涉仪对待测反射镜进行干涉测量；
S3：将标准反射镜安装在光学元件支撑机构上，使标准反射镜的姿态与步骤S2和S3中待测反射镜的姿态相同，工业机器人根据干涉条纹监控系统的反馈自动调整动态干涉仪的位姿，使动态干涉仪发出的出射光束，被标准反射镜反射后，返回到动态干涉仪中，且动态干涉仪测得的干涉条纹数最少，完成后利用动态干涉仪对标准反射镜进行干涉测量，并将测量结果作为系统误差；
S4：将步骤S2中的测量结果扣除步骤S3中获取的系统误差，得到待测反射镜在该姿态下的面形测量结果。
采用以上方法，能够灵活地调整动态干涉仪的位姿，可以同时满足各种姿态下的面形测量问题，解决了重力倾斜姿态下的在位面形测量问题，并将干涉测量扩展到各种测量环境中，同时保证其测量精度和重复性，且实现了干涉条纹的自动调整，提高了测量效率。
作为优选，所述步骤S2按照以下步骤进行：
S21：根据待测反射镜的位置和姿态，调节工业机器人的位姿，使动态干涉仪发出的出射光束，被待测反射镜反射后，返回到动态干涉仪中；
S22：工业机器人根据干涉条纹监控系统的反馈自动调整动态干涉仪的位姿，使动态干涉仪测得的干涉条纹数最少；
S23：利用动态干涉仪对待测反射镜进行干涉测量。
采用以上方法，实现粗调干涉仪的位姿、精调干涉仪的位姿和动态测量三个步骤，保证了对光学元件进行在位面形检测的准确性。
作为优选：步骤S23中，对待测反射镜进行多次干涉测量，并对多次测量的结果求取平均值。采用以上方法，有效减小了随机误差量。
作为优选：步骤S3中，动态干涉仪发射出的光束覆盖待测反射镜的有效口径。采用以上方法，能够快速地完成对动态干涉仪位姿的粗调。
作为优选：步骤S3中，对标准反射镜进行多次干涉测量，并对多次测量的结果求取平均值作为系统误差。采用以上方法，有效减小了随机误差量。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用以上技术方案的任意姿态光学元件在位面形检测装置及方法，具有以下优点：
1、结构灵活，用工业机器人取代了干涉仪的各种支撑调节平台和装置，使干涉仪的位置姿态调整更方便，同时简化了光学元件支撑机构，使其可以不用具有自由度调节功能；
2、方法新颖，将动态干涉仪与工业机器人相结合，解决了重力倾斜姿态下的在位面形测量问题；
3、应用范围广，可以同时满足各种姿态下的面形测量问题；
4、环境适应性好，使用动态干涉仪，能够将干涉测量扩展到各种测量环境中，同时保证其测量精度和重复性；
5、测量简单高效，引入了干涉条纹监控系统，结合工业机器人的控制系统能够实现干涉条纹的自动调整，提高了测量效率。
附图说明
图1为本发明的装置测量竖直放置的待测反射镜的示意图；
图2为本发明的装置测量水平放置的待测反射镜的示意图；
图3为本发明的装置测量倾斜放置的待测反射镜的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1-图3所示，一种任意姿态光学元件在位面形检测装置，其主要包括工业机器人1、动态干涉仪2和干涉条纹监控系统8。
所述工业机器人1的末端可以进行六个自由度(x,y,z,Rx,Ry,Rz) 的调整，其中x,y,z表示位置分量，Rx,Ry,Rz表示绕x,y,z方向旋转的姿态分量。所述工业机器人1的末端具有法兰盘1a，所述动态干涉仪2通过连接工装3可拆卸地安装在工业机器人1上，即连接工装3能够可拆卸地安装在法兰盘1a上。从而工业机器人1能够六自由度地调整动态干涉仪2的位置和姿态。
本实施例优选采用动态干涉仪2，动态干涉仪2的出现和商业化降低了干涉测量对环境因素的严格要求，使得干涉仪的测量不再依赖于测量平台的防震性能，扩展了干涉测量的应用环境，缩短了测量时间，使其更加满足日益多样和严格的车间检测和光学工程的需求；此外，动态干涉仪2还可以动态记录波前的变化过程，能够提高光学系统准直和像差的调整效率。
在所述动态干涉仪2的前端设置有透射标准镜5，具体地说，动态干涉仪 2的前端通过二维调整镜架4安装有透射标准镜5。所述二维调整镜架4可以进行偏摆和俯仰两个自由度的调节。所述动态干涉仪2可以使透射标准镜5 与待测反射镜6之间的测量腔长固定，实现指定表面(待测光学元件前表面或后表面)的面形测量，减小了对待测光学元件的表面处理要求(如镀膜或后表面打毛)。所述动态干涉仪2在进行面形测量时，需要进行多次测量平均，以减小环境因素的干扰。
请参见图1-图3，所述动态干涉仪2的上端面、下端面和后端面均能够与连接工装3连接。具体地说，连接工装3能够承载所使用动态干涉仪2的重量而不发生形变；所述连接工装3对动态干涉仪2具有一定的保护作用；所述连接工装3根据动态干涉仪2外壳所允许的受力情况可以有多种结构方案。请参见图1，将工业机器人1的末端与动态干涉仪2的顶部平面相连，实现动态干涉仪2在“吊起”状态下的使用。请参见图2，使工业机器人1的末端与动态干涉仪2的后端(尾部)平面相连，实现动态干涉仪2在“伸出”状态下的使用。请参见图3，将工业机器人1的末端与动态干涉仪2的底部平面相连，实现动态干涉仪2在“托举”状态下的使用。
在所述工业机器人1旁设置有光学元件支撑机构7，该光学元件支撑机构 7可以安装和放置待测反射镜6和标准反射镜。本实施例中，由于动态干涉仪 2由工业机器人1搭载，因此，光学元件支撑机构7可以不需要位移和角度等维度调节功能，只需要可靠地保证待测反射镜6和标准反射镜的安装稳定性。
请参见图1-图3，所述干涉条纹监控系统8包括能够与动态干涉仪2进行数据传输的干涉条纹显示器8a以及能够与工业机器人1进行数据传输的图像监视器8b。所述干涉条纹显示器8a用于显示动态干涉仪2采集到的干涉条纹图，所述图像监视器8b用于监控干涉条纹显示器8a显示的干涉条纹图。进一步地，所述图像监视器8b为动态高清摄像头。动态高清摄像头实时监控干涉条纹显示器8a显示的干涉条纹图，通过数据反馈，使工业机器人1能够自动地进行适应性的调节，准确控制动态干涉仪2的姿态，实现了干涉条纹的自动调整，提高了测量效率。具体地说，所述干涉条纹监控系统8内置有算法模块，所述算法模块用于识别干涉条纹数量和方向，并将数据信息传输给工业机器人1的控制系统，从而使工业机器人1能够自动地进行适应性的调节，准确控制动态干涉仪2的姿态。
一种任意姿态光学元件在位面形检测方法，按照以下步骤进行：
S1：校准动态干涉仪2
调节二维调整镜架4，使透射标准镜5与动态干涉仪2的光轴垂直。
S2：将待测反射镜6安装在光学元件支撑机构7上，工业机器人1根据干涉条纹监控系统8的反馈自动调整动态干涉仪2的位姿，使动态干涉仪2 发出的出射光束，被待测反射镜6反射后，返回到动态干涉仪2中，且动态干涉仪2测得的干涉条纹数最少，完成后利用动态干涉仪2对待测反射镜6 进行干涉测量。
具体地说，所述步骤S2按照以下步骤进行：
S21：粗调动态干涉仪2的位姿
根据待测反射镜6的位置和姿态，调节工业机器人1的位姿，使动态干涉仪2发出的出射光束，被待测反射镜6反射后，返回到动态干涉仪2中，并使动态干涉仪2发射出的光束尽可能地覆盖待测反射镜6的有效口径，整个过程中，保证动态干涉仪2在移动过程中不与其它物体发生接触碰撞。
S22：精调动态干涉仪2的位姿
工业机器人1根据干涉条纹监控系统8的反馈自动调整动态干涉仪2的位姿，使动态干涉仪2测得的干涉条纹数最少。具体地说，图像监视器8b实时监控干涉条纹显示器8a显示的干涉条纹图，将识别的干涉条纹数量和方向反馈给工业机器人1的控制系统，自动调整工业机器人1的末端姿态，改变透射标准镜5与待测反光镜6之间的夹角，最终得到尽可能少的干涉条纹数。
S23：进行动态测量
利用动态干涉仪2对待测反射镜6进行干涉测量。进一步地，对待测反射镜6进行多次干涉测量，并对多次测量的结果求取平均值W1。需要指出的是，平均的测量次数与环境中气流扰动情况有关。为减小随机气流扰动的影响，可以在测量中使用风机等设备来均匀干涉腔中的气流，或者可以减小干涉腔的长度来减小气流扰动带来的随机误差量。
S3：测量标准反射镜的面形
将标准反射镜安装在光学元件支撑机构7上，使标准反射镜的姿态与步骤S2中待测反射镜6的姿态相同，工业机器人1根据干涉条纹监控系统8的反馈自动调整动态干涉仪2的位姿，使动态干涉仪2发出的出射光束，被标准反射镜反射后，返回到动态干涉仪2中，且动态干涉仪2测得的干涉条纹数最少，完成后利用动态干涉仪2对标准反射镜进行干涉测量，并将测量结果作为系统误差。进一步地，对标准反射镜进行多次干涉测量，并对多次测量的结果求取平均值作为系统误差W0。
S4：将步骤S2中的测量结果扣除步骤S3中获取的系统误差，得到待测反射镜6在该姿态下的面形测量结果W＝W1-W0，作为待测反射镜6在该姿态下的面形测量结果。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种任意姿态光学元件在位面形检测方法，其采用任意姿态光学元件在位面形检测装置进行检测，其特征在于，所述任意姿态光学元件在位面形检测装置包括工业机器人(1)、动态干涉仪(2)和干涉条纹监控系统(8)，所述动态干涉仪(2)通过连接工装(3)可拆卸地安装在工业机器人(1)上，在该动态干涉仪(2)的前端设置有透射标准镜(5)，所述干涉条纹监控系统(8)包括能够与动态干涉仪(2)进行数据传输的干涉条纹显示器(8a)以及能够与工业机器人(1)进行数据传输的图像监视器(8b)，所述干涉条纹显示器(8a)用于显示动态干涉仪(2)采集到的干涉条纹图，所述图像监视器(8b)用于监控干涉条纹显示器(8a)显示的干涉条纹图；
所述透射标准镜(5)通过二维调整镜架(4)安装在动态干涉仪(2)的前端；
所述图像监视器(8b)为动态高清摄像头；
所述动态干涉仪(2)的上端面、下端面和后端面均能够与连接工装(3)连接；
在所述工业机器人(1)旁设置有光学元件支撑机构(7)；
所述任意姿态光学元件在位面形检测方法按照以下步骤进行：
S1：调节二维调整镜架(4)，使透射标准镜(5)与动态干涉仪(2)的光轴垂直；
S2：将待测反射镜(6)安装在光学元件支撑机构(7)上，工业机器人(1)根据干涉条纹监控系统(8)的反馈自动调整动态干涉仪(2)的位姿，使动态干涉仪(2)发出的出射光束，被待测反射镜(6)反射后，返回到动态干涉仪(2)中，且动态干涉仪(2)测得的干涉条纹数最少，完成后利用动态干涉仪(2)对待测反射镜(6)进行干涉测量；
S3：将标准反射镜安装在光学元件支撑机构(7)上，使标准反射镜的姿态与步骤S2和S3中待测反射镜(6)的姿态相同，工业机器人(1)根据干涉条纹监控系统(8)的反馈自动调整动态干涉仪(2)的位姿，使动态干涉仪(2)发出的出射光束，被标准反射镜反射后，返回到动态干涉仪(2)中，且动态干涉仪(2)测得的干涉条纹数最少，完成后利用动态干涉仪(2)对标准反射镜进行干涉测量，并将测量结果作为系统误差；
S4：将步骤S2中的测量结果扣除步骤S3中获取的系统误差，得到待测反射镜(6)在该姿态下的面形测量结果；
所述步骤S2按照以下步骤进行：
S21：根据待测反射镜(6)的位置和姿态，调节工业机器人(1)的位姿，使动态干涉仪(2)发出的出射光束，被待测反射镜(6)反射后，返回到动态干涉仪(2)中；
S22：工业机器人(1)根据干涉条纹监控系统(8)的反馈自动调整动态干涉仪(2)的位姿，使动态干涉仪(2)测得的干涉条纹数最少；
S23：利用动态干涉仪(2)对待测反射镜(6)进行干涉测量；
步骤S23中，对待测反射镜(6)进行多次干涉测量，并对多次测量的结果求取平均值；
步骤S3中，标准反射镜的有效口径不小于动态干涉仪(2)的有效测量口径；
步骤S3中，对标准反射镜进行多次干涉测量，并对多次测量的结果求取平均值作为系统误差。
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